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3. 核心组件 - 3.8 Federation

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2023-12-01

在云计算环境中，服务的作用距离范围从近到远一般可以有：同主机（Host，Node）、跨主机同可用区（Available Zone）、跨可用区同地区（Region）、跨地区同服务商（Cloud Service Provider）、跨云平台。K8s 的设计定位是单一集群在同一个地域内，因为同一个地区的网络性能才能满足 K8s 的调度和计算存储连接要求。而集群联邦（Federation）就是为提供跨 Region 跨服务商 K8s 集群服务而设计的。

每个 Federation 有自己的分布式存储、API Server 和 Controller Manager。用户可以通过 Federation 的 API Server 注册该 Federation 的成员 K8s Cluster。当用户通过 Federation 的 API Server 创建、更改 API 对象时，Federation API Server 会在自己所有注册的子 K8s Cluster 都创建一份对应的 API 对象。在提供业务请求服务时，K8s Federation 会先在自己的各个子 Cluster 之间做负载均衡，而对于发送到某个具体 K8s Cluster 的业务请求，会依照这个 K8s Cluster 独立提供服务时一样的调度模式去做 K8s Cluster 内部的负载均衡。而 Cluster 之间的负载均衡是通过域名服务的负载均衡来实现的。

3.8 Federation - 图1

所有的设计都尽量不影响 K8s Cluster 现有的工作机制，这样对于每个子 K8s 集群来说，并不需要更外层的有一个 K8s Federation，也就是意味着所有现有的 K8s 代码和机制不需要因为 Federation 功能有任何变化。

3.8 Federation - 图2

Federation 主要包括三个组件

  • federation-apiserver：类似 kube-apiserver，但提供的是跨集群的 REST API
  • federation-controller-manager：类似 kube-controller-manager，但提供多集群状态的同步机制
  • kubefed：Federation 管理命令行工具

Federation 的代码维护在 https://github.com/kubernetes/federation。

Federation 部署方法

下载 kubefed 和 kubectl

kubefed 下载

  1. # Linux
  2. curl -LO https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/$(curl -s https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/stable.txt)/kubernetes-client-linux-amd64.tar.gz
  3. tar -xzvf kubernetes-client-linux-amd64.tar.gz
  5. # OS X
  6. curl -LO https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/$(curl -s https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/stable.txt)/kubernetes-client-darwin-amd64.tar.gz
  7. tar -xzvf kubernetes-client-darwin-amd64.tar.gz
  9. # Windows
  10. curl -LO https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/$(curl -s https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/stable.txt)/kubernetes-client-windows-amd64.tar.gz
  11. tar -xzvf kubernetes-client-windows-amd64.tar.gz

初始化主集群

选择一个已部署好的 Kubernetes 集群作为主集群，作为集群联邦的控制平面，并配置好本地的 kubeconfig。然后运行 kubefed init 命令来初始化主集群：

  1. $ kubefed init fellowship 
  2.     --host-cluster-context=rivendell    # 部署集群的 kubeconfig 配置名称
  3.     --dns-provider="google-clouddns"    # DNS 服务提供商，还支持 aws-route53 或 coredns
  4.     --dns-zone-name="example.com."      # 域名后缀，必须以. 结束
  5.     --apiserver-enable-basic-auth=true  # 开启 basic 认证
  6.     --apiserver-enable-token-auth=true  # 开启 token 认证
  7.     --apiserver-arg-overrides="--anonymous-auth=false,--v=4" # federation API server 自定义参数
  8. $ kubectl config use-context fellowship

自定义 DNS

coredns 需要先部署一套 etcd 集群，可以用 helm 来部署：

  1. $ helm install --namespace my-namespace --name etcd-operator stable/etcd-operator
  2. $ helm upgrade --namespace my-namespace --set cluster.enabled=true etcd-operator stable/etcd-operator

然后部署 coredns

  1. $ cat Values.yaml
  2. isClusterService: false
  3. serviceType: "LoadBalancer"
  4. middleware:
  5.   kubernetes:
  6.     enabled: false
  7.   etcd:
  8.     enabled: true
  9.     zones:
  10.     - "example.com."
  11.     endpoint: "http://etcd-cluster.my-namespace:2379"
  13. $ helm install --namespace my-namespace --name coredns -f Values.yaml stable/coredns

使用 coredns 时，还需要传入 coredns 的配置

  1. $ cat $HOME/coredns-provider.conf
  2. [Global]
  3. etcd-endpoints = http://etcd-cluster.my-namespace:2379
  4. zones = example.com.
  6. $ kubefed init fellowship 
  7.     --host-cluster-context=rivendell    # 部署集群的 kubeconfig 配置名称
  8.     --dns-provider="coredns"            # DNS 服务提供商，还支持 aws-route53 或 google-clouddns
  9.     --dns-zone-name="example.com."      # 域名后缀，必须以. 结束
  10.     --apiserver-enable-basic-auth=true  # 开启 basic 认证
  11.     --apiserver-enable-token-auth=true  # 开启 token 认证
  12.     --dns-provider-config="$HOME/coredns-provider.conf"  # coredns 配置
  13.     --apiserver-arg-overrides="--anonymous-auth=false,--v=4" # federation API server 自定义参数

物理机部署

默认情况下，kubefed init 会创建一个 LoadBalancer 类型的 federation API server 服务，这需要 Cloud Provider 的支持。在物理机部署时，可以通过 --api-server-service-type 选项将其改成 NodePort：

  1. $ kubefed init fellowship 
  2.     --host-cluster-context=rivendell    # 部署集群的 kubeconfig 配置名称
  3.     --dns-provider="coredns"            # DNS 服务提供商，还支持 aws-route53 或 google-clouddns
  4.     --dns-zone-name="example.com."      # 域名后缀，必须以. 结束
  5.     --apiserver-enable-basic-auth=true  # 开启 basic 认证
  6.     --apiserver-enable-token-auth=true  # 开启 token 认证
  7.     --dns-provider-config="$HOME/coredns-provider.conf"  # coredns 配置
  8.     --apiserver-arg-overrides="--anonymous-auth=false,--v=4"  # federation API server 自定义参数
  9.     --api-server-service-type="NodePort" 
  10.     --api-server-advertise-address="10.0.10.20"

自定义 etcd 存储

默认情况下，kubefed init 通过动态创建 PV 的方式为 etcd 创建持久化存储。如果 kubernetes 集群不支持动态创建 PV，则可以预先创建 PV，注意 PV 要匹配 kubefed 的 PVC:

  1. apiVersion: v1
  2. kind: PersistentVolumeClaim
  3. metadata:
  4.   annotations:
  5.     volume.alpha.kubernetes.io/storage-class: "yes"
  6.   labels:
  7.     app: federated-cluster
  8.   name: fellowship-federation-apiserver-etcd-claim
  9.   namespace: federation-system
  10. spec:
  11.   accessModes:
  12.   - ReadWriteOnce
  13.   resources:
  14.     requests:
  15.       storage: 10Gi

注册集群

除主集群外，其他 kubernetes 集群可以通过 kubefed join 命令加入集群联邦：

  1. $ kubefed join gondor --host-cluster-context=rivendell --cluster-context=gondor_needs-no_king

集群查询

查询注册到 Federation 的 kubernetes 集群列表

  1. $ kubectl --context=federation get clusters

ClusterSelector

v1.7 + 支持使用 annotation federation.alpha.kubernetes.io/cluster-selector 为新对象选择 kubernetes 集群。该 annotation 的值是一个 json 数组，比如

  1.   metadata:
  2.     annotations:
  3.       federation.alpha.kubernetes.io/cluster-selector: '[{"key":"pci","operator":
  4.         "In", "values": ["true"]}, {"key": "environment", "operator": "NotIn", "values":
  5.         ["test"]}]'

每条记录包含三个键值

  • key：集群的 label 名字
  • operator：包括 In, NotIn, Exists, DoesNotExist, Gt, Lt
  • values：集群的 label 值

策略调度

注：仅 v1.7 + 支持策略调度。

开启策略调度的方法

（1）创建 ConfigMap

  1. kubectl create -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/kubernetes.github.io/master/docs/tutorials/federation/scheduling-policy-admission.yaml

（2） 编辑 federation-apiserver

  1. kubectl -n federation-system edit deployment federation-apiserver

增加选项：

  1. --admission-control=SchedulingPolicy
  2. --admission-control-config-file=/etc/kubernetes/admission/config.yml

增加 volume：

  1. - name: admission-config
  2.   configMap:
  3.     name: admission

增加 volumeMounts:

  1. volumeMounts:
  2. - name: admission-config
  3.   mountPath: /etc/kubernetes/admission

（3）部署外部策略引擎，如 Open Policy Agent (OPA)

  1. kubectl create -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/kubernetes.github.io/master/docs/tutorials/federation/policy-engine-service.yaml
  2. kubectl create -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/kubernetes.github.io/master/docs/tutorials/federation/policy-engine-deployment.yaml

（4）创建 namespace kube-federation-scheduling-policy 以供外部策略引擎使用

  1. kubectl --context=federation create namespace kube-federation-scheduling-policy

（5）创建策略

  1. wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/kubernetes.github.io/master/docs/tutorials/federation/policy.rego
  2. kubectl --context=federation -n kube-federation-scheduling-policy create configmap scheduling-policy --from-file=policy.rego

（6）验证策略

  1. kubectl --context=federation annotate clusters cluster-name-1 pci-certified=true
  2. kubectl --context=federation create -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/kubernetes.github.io/master/docs/tutorials/federation/replicaset-example-policy.yaml
  3. kubectl --context=federation get rs nginx-pci -o jsonpath='{.metadata.annotations}'

集群联邦使用

集群联邦支持以下联邦资源，这些资源会自动在所有注册的 kubernetes 集群中创建：

  • Federated ConfigMap
  • Federated Service
  • Federated DaemonSet
  • Federated Deployment
  • Federated Ingress
  • Federated Namespaces
  • Federated ReplicaSets
  • Federated Secrets
  • Federated Events（仅存在 federation 控制平面）
  • Federated Jobs（v1.8+）
  • Federated Horizontal Pod Autoscaling (HPA，v1.8+)

比如使用 Federated Service 的方法如下：

  1. # 这会在所有注册到联邦的 kubernetes 集群中创建服务
  2. $ kubectl --context=federation-cluster create -f services/nginx.yaml
  4. # 添加后端 Pod
  5. $ for CLUSTER in asia-east1-c asia-east1-a asia-east1-b 
  6.                         europe-west1-d europe-west1-c europe-west1-b 
  7.                         us-central1-f us-central1-a us-central1-b us-central1-c 
  8.                         us-east1-d us-east1-c us-east1-b
  9. do
  10.   kubectl --context=$CLUSTER run nginx --image=nginx:1.11.1-alpine --port=80
  11. done
  13. # 查看服务状态
  14. $ kubectl --context=federation-cluster describe services nginx

可以通过 DNS 来访问联邦服务，访问格式包括以下几种

  • nginx.mynamespace.myfederation.
  • nginx.mynamespace.myfederation.svc.example.com.
  • nginx.mynamespace.myfederation.svc.us-central1.example.com.

删除集群

  1. $ kubefed unjoin gondor --host-cluster-context=rivendell

删除集群联邦

集群联邦控制平面的删除功能还在开发中，目前可以通过删除 namespace federation-system 的方法来清理（注意 pv 不会删除）：

  1. $ kubectl delete ns federation-system

参考文档

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